计算机控制系统课后习题答案1

第一章课后参考答案
1-1简述计算机控制系统的控制过程。

计算机控制系统的控制过程可以归纳为以下三个步骤：
1)实时数据采集：对被控量进行采样测量，形成反馈信号；
2)实时控制计算：根据反馈信号和给定信号，按一定的控制规律，计算出控制量；
3）实时控制输出，向执行机构发出控制信号，实现控制作用。

1-2什么是实时性？有哪些因素影响系统的实时性？
硬件：
1）控制器计算速度
2）传感器采集速度
3）执行器反应时间
4）A/D、D/A转换速度
软件：
1）操作系统调度
2）中断响应处理方式（包括定时器）
3）延时函数的设置
实时性：即信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内即时完成的，超出这个时间就会失去控制时机，控制也就失去了意义。

1-3计算机控制系统的硬件由哪几部分组成？各部分作用是什么？
计算机的硬件主要包括主机、输入输出通道和外部设备。

主机：主机是计算系统的核心，通过接口向系统的各个部分发出各种指令，对被控对象进行检测和控制。

输入输出通道：输入输出通道是计算机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。

过程输入通道把生产对象的被控参数转换成计算机可以接收的数字信号，过程输出通道把计算机输出的控制命令和数据，转化成可以对生产对象进行控制的的信号。

过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。

外部设备：外部设备是实现计算机和外界进行信息交换的设备，简称外设，包括人机联系设备（操作台）、输入输出设备（磁盘驱动器、键盘、打印机、显示终端等）和外存贮器，其中操作台应具备显示功能，即根据操作人员的要求，能立即显示所要求的内容，还应有按键或开关，完成系统的启、停等功；操作台还要保证操作错误也不会造成恶劣后果，即应有保护功能。

1-4计算机控制系统的软件由哪几部分组成？各部分作用是什么？
计算机控制系统软件分为系统软件、应用软件及数据库。

系统软件是有计算机生产厂家提供的专门用来使用和管理计算机的程序。

对用户来说，系统软件只是用来开发应用软件的工具，不需要自己设计。

应用软件是面向用户本身的程序，即指由用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序数据库及数据库管理系统主要用于资料管理、存档和检索，相应的软件设计指如何建立数据库以及如何查询、显示、调用和修改数据等。

1-5计算机控制系统有哪些特点？
1）计算机控制系统为模拟和数字混合的系统。

2）在计算机控制系统中，控制规律是由计算机通过程序实现的，具有很大的灵活性和适应性。

3）计算机控制系统能实现模拟电路不能实现的复杂控制规律。

4）计算机控制系统不是连续控制的，而是离散控制的。

5）可以采用分时控制，同时控制多个回路。

6）计算机控制系统，便于实现控制与管理一体化，使工业企业的自动化程度进一步提高。

1-6计算机控制系统有哪些类型？
1）操作指导控制系统。

2）直接数字控制系统（DDC）。

3）监督计算机控制系统（SCC）。

4）分布式控制系统（DCS）。

5）现场总线控制系统（FCS）。

1-7计算机控制系统的发展趋势如何？
1）应用成熟的先进技术；
2）智能控制系统；
3）嵌入式的学习将更加深入；
4）网络控制系统。

1-8如何认识计算机控制系统课程的特点？
1）集中描述了自动化学科的知识结构；
2）具有综合性、应用型和实际性。

1-9什么是创新学习？如何在本课程的学习过程中培养创新学习能力？
创新学习以培养创新精神和创新能力为目标，以问题为主线，以乐于学习、善于思考、勤于实践为重要方法和渠道。

1）始于问题；
2）乐于兴趣；
3）勇于突破；
4）善于转化；
5）巧于综合；
6）重于创新；
7）精于挖掘；
8）勤于实践。

第二章课后参考答案
2-1画图说明模拟信号、离散信号和数字信号。

2-2已知离散系统的差分方程为y(k+2)+3y(k+1)+2y(k)=u(k)+3u(k-1),设u(k)为单位阶跃序列，y(0)=0,y(1)=1,试求输出量的Z 变换。

对上式两边取z 变换，有
)
(3)()(2)0(3)(3)1()0()(122z U z z U z Y zY z zY zY Y z z Y z -+=+-+--所以：
z z z z z U z zU Y 23)(3)()z (232++++=2-3设离散系统的差分方程为y(k+2)+2y(k+1)+1.4y(k)=4u(k+1)+u(k)，试求其脉冲传递函数。

在零初始条件下对上式两边取z 变换，有
)
()(4)(1.4)(2)(2z U z zU z Y z zY z Y z +=++所以：
1.4214)()(2+++=z z z z U z Y 2-4求下列差分方程相应的Z 传递函数：
（1）y(k)-2y(k-2)+3y(k-4)=u(k)+u(k-1)
在零初始条件下对上式两边取z 变换，有
)
()()(3)(2-)(-1-42-z U z z U z Y z z Y z z Y +=+所以：
12-31)()(2-4--1++=z z z z U z Y （2）y(k)+y(k-3)=u(k)-2u(k-2)
在零初始条件下对上式两边取z 变换，有
)
(2-)()()(-2-3z U z z U z Y z z Y =+
所以：
12-1)()(3--2
+=z z z U z Y 2-5线性离散系统的差分方程为y(k)+3y(k-1)+4y(k-2)+5y(k-3)=u(k)-3u(k-1)+2u(k-2)，试求系统的脉冲传递函数。

在零初始条件下对上式两边取z 变换，有
)
(2)(3-)()(5)(4)(3)(-2-1-3-2-1z U z z U z z U z Y z z Y z z Y z z Y +=+++所以：
134513-2)()(1-2-3--1-2++++=z z z z z z U z Y
第三章课后参考答案
3-1简述数字控制器的模拟化设计步骤。

1）设计模拟控制器D （s ）；
2）选择合适的采样周期T ；
3）模拟控制器D （s ）的离散化；
4）仿真校验是否达到检验要求；
5）数字控制器的计算机实现。

3-2模拟控制器的离散化方法有哪些？各有什么特点？
后向差分法和双线性变换法
后向差分法具有以下特点：1）稳定的D （s ）变换后仍为稳定的D （z ）；2）变换计算简单，不要求对传递函数进行因式分解。

双线性变换法具有以下特点：1）将整个s 平面的左半平面映射到z 平面的单位圆内；2）稳定的D （s ）变换后仍为稳定的D （z ）。

3-3计算机控制系统中，采用周期的选择需要注意什么问题？
1）从被控对象的特性方面考虑；
2）从控制系统的响应快速性和抗干扰性能方面考虑；
3）从系统的控制品质方面考虑；
4）从计算机的工作量和回路成本方面考虑。

3-4用后向差分法求下列控制模拟器等效的数字模拟器，设采样周期T 为1s 。

(1))
1()221(100)s (2+++=s s s s D 2
-1--2-1-2-126-5)s ()z (1
-1z z z z D D T z s +==-=(2)1
s 2
s s ++=）（D 1--1-2-3)
s ()z (1
-1z z D D T z s ==-=(3))
1(1
s 8.0s ++=s s D ）（2
-1--13-20.8-1.8)s ()z (1
-1z z z D D T z s +==-=3-5用双线性变换法求下列控制模拟器等效的数字模拟器，设采样周期T=0.5s 。

（1）)211(5s s s D ++
=）（
2
--2-18-84778-41)s ()z (1-11
--12z z z D D z z T s +==+=（2）s
s s D 3140)(+=1--112-12159-161)s ()z (1
-11
--12z z D D z z T s ==+=（3）)
2s (1s +=
s D ）（2
-1--2
-1832-242-1)s ()z (1-11--12z z z z D D z z T s ++==+=3-6已知某控制模拟器的传递函数为2)1(5.0s s ++=
s D ）（，试用双线性变换法求出相应的等效数字控制器的脉冲传递函数，设采样周期为T=1s 。

2
-1--2-16-9 1.5-2.5)s ()z (1-11
--12z z z z D D z z T s ++==+=3-7已知某控制模拟器的传递函数为
12.0s 1
(s)2++=s D ，设采样周期为T=1s ，试用一阶后向差分法求出相应的等效数字控制器D(x)及输出的差分方程。

2
-1-2.2-2.21)s ()z (1
-1z z D D T z s +==-=3-8已知某控制模拟器的传递函数为11.01s ++=s s D ）
（，设采样周期为T=0.25s ，试用一双线性变换法求出相应的等效数字控制器D(x)及输出的差分方程。

1
--10.21.87-9)s ()z (1-11
--12z z D D z z T s +==+=3-9试写出数字PID 控制的位置式和增量式，比较他们的优缺点。

位置式：[]
)1()(e )()()(0--++=∑=k e k K j e K k e K k u d
k j i p
式中，e （k ）是数字PID 控制器的输入，为第k 个采样时刻的偏差值；u(k)是第k 个采样时刻数字PID 控制器的输出；i
P T T K K =i 为积分系数；T T K K d p =d 为微分系数增量式：)
2(e )1()()(u 210-+-+=∆k q k e q k e q k 式中，)1(d 0T
T T T K K K K q d i p i p ++=++=；)21(2q 1T T K K K d p d p +-=--=；T
T K K d p d ==2q 优缺点：
1）位置式算法每次输出与整个过去状态有关，计算式中要用到过去偏差的累加值，容易产生较大的累计计算误差。

而在增量式算法中由于取消积分项，从而可消除控制器的积分饱和，在精度不足时，计算误差对控制量的影响较小，容易取得较好的控制结果；
2）增量式易于实现手动到自动的无干扰切换；
3）采用增量式算法时所用的执行器本身都具有保持功能，即使计算机发生故障，执行器仍能保持在原位，不会对生产造成恶劣影响；
4）增量式算法的积分截断效应较大，有静态误差，且溢出的影响较大。

3-10试说明PI ；SD 控制器中比例、积分、微分环节的作用。

比例环节作用：成比例的反应控制系统的偏差信号，偏差一旦出现，控制器立即产生控制作用，以便减少偏差，保证系统的快速性。

积分环节的作用：主要用于消除静差，提高系统的控制精度和无差度。

微分环节作用：反应偏差的变化趋势，并能在偏差信号变得过大之前，在系统中引入一个早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少偏差时间。

3-11试描述PID 控制器中比例系数，积分时间常数和微分时间常数的变化对闭环系统的动态特性和稳态特性的影响。

比例系数：比例调节虽然简答简单快速，但对于系统响应为有限值得控制对象存在静差，加大比例系数Kp 可以减小静差，但是过大时，会使系统动态质量变坏，引起输出量震荡，甚至导致闭环系统不稳定。

积分时间常数：积分时间常数Ti 大，则积分作用弱，反之强。

增大Ti 将减慢消除静差的过程，但可以减小超调，提高稳定性，引入积分调节付出的代价是降低系统的快速性。

微分时间常数：微分时间常数Td 越大，微分作用越强，反之弱。

适当选择微分时间常数，可有助于减少超调克服震荡，改善系统动态性能，缩短过度过程时间，过大会引起震荡或出现误动作，甚至不稳定。

3-12要消除系统的稳态误差，通常选用哪种控制规律？
积分作用可以消除稳态误差。

通常选用PI 或PID 控制规律。

3-13什么叫积分饱和？它是怎样引起的？如何消除？
积分饱和：当系统有较大的扰动或给定值有较大变化时，由于系统的惯性，偏差e 将随之增大，标准PID 算法中的积分项将有较大的积累值，以致使位置式PID 的计算结果超出执行器限定的范围
消除：对PID 控制算法计算出的控制量进行约束，即大于某个门限值时，删除积分作用，在门限值之内时加入积分作用。

也就是对积分项进行改进，形成各种改进的PID 控制算法。

3-14不完全微分数字PID 算法解决了标准数字PID 控制算法中什么问题？试推导出不完全微分数字PID 的增量式。

不完全微分数字PID 算法解决了标准数字PID 控制算法中：
微分项的输出仅在第一个周期起到激励作用，不能按照偏差变化的趋势在整个控制过程中起作用，对时间常数较大的系统，起调节作用很小，不能达到超前控制误差的目的。

若采样周期很小，会使微分项输出的幅值较大，容易造成饱和效应，系统产生溢出效应。

不完全微分数字PID 的增量式：
()()()()
k 1-1-k k U U U '∆∝+∆=∝∆式中∝为f f
T T T +，()k U '∆为标准PID 增量算式的输出。

1）微分项的输出仅在第一个周期内起到作用，不能按照偏差的变化趋势在整个控制过程中起作用。

对于时间常数较大的系统，其调节作用很小，不能达到超前控制误差的目的
2）若采样周期很小，会使得微分项输出的幅值较大，容易造成饱和效应，系统产生溢出现象。

3-15带死区的PID 控制算法有什么优点？
在满足系统控制要求下，控制作用不过于频繁，控制器输出平稳。

3-16对PID 控制器参数整定的目的是什么？叙述扩充响应曲线法整定PID 参数的步骤。

它试用于什么类型的被控对象？
对PID 控制器参数整定的目的：使系统输出稳定，具有良好的动态性能和静态特性。

响应曲线法整定PID 参数的步骤：
1）断开数字控制器，让系统处于手动操作状态，并使之稳定，然后突然改变给定值，给被控对象一个阶跃输入信号；
2）记录被控参数在阶跃输入下的整个变化过程曲线；
3）在曲线最大斜率处作切线，求出等效的滞后时间τ和等效的时间常数p T ，以及他们的比例τ/p T ；
4）由τ、p T 、τ/p T 的值求出数字控制器的T 、p K 、i T 和d T ；
5）按照求得的整定参数，投入系统运行，观察控制结果，再适当调整参数，直到获得满意的控制效果为止。

适用于多容自平衡系统，不需要被控对象的数学模型。

3-17设临界震荡周期为2.5s ，临界比例系数为6，控制度为1.5，试用扩充临界比例度法确定数字PID 控制器的参数。

由题意可知Tr=2.5s ，Kr=6。

根据表3-2得：
r
1r K =
δT=0.09Tr=0.225s ，Kp=0.34δr=0.06，Ti=0.43Tr=0.85，Td=0.2Tr=0.5.
3-18查阅文献，了解PID 控制器参数的其他整定方法。

临界比例度法（又称稳定边界法）、反应曲线法、衰减曲线法、仪表参数自整定法。

3-19已知s
s D 05.015.01s +=）
（其中采样周期T=0.5s ，写出等效的数字PID 控制器位置式和增量式的差分形式。

0.05s
1305.015.01s s s +=+==s s D E U ）（）（）（得：
∑=+=k
j j e k e k u 0)
(10)(3)(∑=+=1
-0)
(10)1-(3)1-(k j j e k e k u )
1(3-)(13)1-(u -)(u )(u -==∆k e k e k k k 3-20已知某连续控制器的传递函数为
s s
D 085.0117.01s ++=）（现用数字PID 控制器控制算法实现它，设采样周期T=1s ，试写出相应的PID 控制算法的位置式。

s
s D E U 80.0171.01s s s ++==）（）（）（得
[][]
)1(-)(0.17)()1-(u -)(u 0.085)(u -+=+k e k e k e k k k )
1-(0.08u -)1(0.16-)(1.08)(u k k e k e k -=3-21简述Smith 预估补偿器的基本思想。

针对纯滞后系统闭环特征方程含的影响系统控制品质的纯滞后问题，在PID 反馈控制器上引入一个预估计补偿环节，使闭环特征方程不含有纯滞后项，以提高控制质量。

3-22设被控制对象的传递函数为s e s G -+=121s ）
（，闭环反馈采用PID 控制器，传递函数为5.011(3.0s s D +=）（，采样周期为T=0.5s ，试设计Smith 预估补偿器，并画出计算机实现的流程图。

根据3-61有Smith 补偿器：
1
2-1s +=-s e D s ）（τ⎪⎭
⎫ ⎝⎛+==s D E U 5.0110.3s s s ）（）（）（
∑=+=k
j j e k e k u 0)
(0.3)(0.3)(∑=+=1
-0)
(0.3)1-(0.3)1-(k j j e k e k u )
1(0.3-)(0.6)1-(u -)(u )(u -==∆k e k e k k k 开始
)2()1-(=-=k e k e 将A/D 结果赋给Y （k ）
)
(y -)(r )(k k k e =)
1(0.3-)(0.6)(u -=∆k e k e k 将u （k ）结果输给D/A
)
()1-()
1-()2-(k e k e k e k e ==采样到？
第四章课后参考答案
4-1简述数字控制器直接数字化设计步骤。

（1）求系统广义脉冲传递函数）（z G ，即对带有零阶保持器的被控对象传递函数进行Z 变换。

⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎥⎦
⎤⎢⎣⎡-=--)(1)1()(1z 1s G s Z z s G s e Z G sT ）（（2）根据对控制系统性能指标的要求和其他约束条件，构造系统的闭环脉冲传递函数）（z Φ。

构造）（z Φ的过程就是确定其增益、极点和零点的过程。

在构造）（z Φ时，要注意下面几点：
1）构造的）（z Φ应该是稳定的，因此，）（z G 的单位圆上或单位圆外极点，不应该包含在）（z Φ的极点中；
2）数字控制器）（z D 应该是稳定的，因此，）（z G 的单位圆上或单位圆外零点，不应该包含在）（z D 的极点中；
3）为了保证数字控制器）（z D 是物理可实现的，）（z Φ的分子与分母阶次差应与）（z G 的分子与分母阶次差相同；
4）为了使数字控制器）（z D 在某个采样时刻的输出只与该时刻以及以前时刻的输出有关，）（z D 的分子的阶数要小于等于分母的阶数
（3）将）（z G 和）（z Φ代入式（4-2）求出数字控制器）（z D ；
（4）利用计算机仿真软件，对求出的数字控制器）（z D 进行校验。

若达到设计要求，进行下一个步骤，否则进行再设计；
（5）将数字控制器）（z D 变成易于计算机编程的差分方程的形式。

4-2什么是最小拍系统？最小拍控制的性能指标是什么？最小拍系统有什么不足之处？
最小拍系统是指系统在典型输入信号（如阶跃信号、速度信号、加速度信号等）作用下，经过最少个采样周期使系统输出的稳态误差为零。

最小拍控制的性能指标就是系统的调节时间最短或尽可能短
最小拍控制系统对输入信号变化的适应性较差
4-3某被控对象传递函数为)105.0)(11.0(1s ++=
s s s G ）（，设采样周期T 为0.1s ，针对单位速度输入设计最小拍控制器，计算采样瞬间数字控制器和系统的输出响应，并绘制图形。

()()321210.0497-0.5530.50310.1480.399105.011.01s 1z ------+-+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡++-=z
z z z z s s s e Z G Ts ）（单位速度输入时：
2
1z z 2)z (---=Φ[]()()
()()2-1-2-1--3-2-1-2-1z 148.0z 399.0z 2z -1z 0497.0z 553.0z 503.01z z 2)z (-1)z ()z ()z (+--+--=ΦΦ=G D ()()2
11
21z -1z z z 2)z ()z ()z (-----=Φ=T R Y
所以：
++++=----5432z 5z 4z 3z 2)z (T T T T Y 即
3T )3(2T )2(0)1(0)0(====Y Y Y Y ，，，图略。

4-4已知被控对象传递函数为)
1(1s +=s s G ）（，设采样周期T=1s ，设计单位速度输入信号下的最小拍控制器，计算出输出响应y(k)，控制信号u(k),并画出它们的波形。

()()()
1120.638110.63811s 1z ------=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-=z z z s s e Z G Ts ）（单位速度输入时：
2
1z z 2)z (---=Φ[]()()()
()2-1-2--1-1-2-1z 2z -10.638z 0.638z 1z 1z z 2)z (-1)z ()z ()z (+---=ΦΦ=G D ()()2
11
21z -1z z z 2)z ()z ()z (-----=Φ=T R Y 所以：
++++=----5432z 5z 4z 3z 2)z (T T T T Y 即
3T )3(2T )2(0)1(0)0(====Y Y Y Y ，，，图略。

4-5给定被控对象传递函数为)
286.01()1()2.01)(78.21(265.0z 121111-------++=z z z z z G ）（，针对单位阶跃输入设计最小拍控制器，并计算采样瞬间数字控制器和系统的输出响应，并绘制图形。

在单位阶跃输入时
1
z )z (-=Φ[]()()()()
1-1-1--1-1-10.2z 12.78z 10.265z 0.286z 1z 1z )z (-1)z ()z ()z (++--=ΦΦ=G D
1
1z -11
z )z ()z ()z (--=Φ=R Y
++++=----4321z z z z )z (Y 即
1)3(1)2(1)1(0)0(====Y Y Y Y ，，，图略。

4-6Dahlin 算法的设计目标是什么？
Dahlin 算法的设计目标：设计一个合适的数字控制器）（z D ，使整个闭环系统的传递函
数）（s Φ相当于一个一阶惯性纯滞后环节，即：1
)()()(0+==Φ-s T e s R S Y s s
τ，式中，τ为被控对象的纯滞后时间，NT =τ。

为简单起见，设τ为采样周期T 的整数倍，即N 为整数。

0T 为期望闭环传递函数的时间常数。

4-7什么是振铃现象？振铃是如何引起的？如何消除振铃现象？
振铃现象是指数字控制器的输出以接近二分之一的采样频率大幅度大幅度上下摆动。

振铃现象与被控对象的特性、闭环时间常数、采样周期、纯滞后时间的大小等有关。

振铃现象的消除：1）参数选择法；2）消除振铃因子法
4-8设被控对象传递函数为s e s G 31
42s -+=）（，期望的闭环系统时间常数T0=4.5s ，取采样周期T=1s ，试用Dahlin 算法设计数字控制器。

3T
==τN 12s 0.779-10.442e 142s 1z ----=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-=z
z s e Z G Ts ）（12s 0.8-10.2e 14.51s 1z ----=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-=Φz
z s e Z Ts ）（[]()()
2-1-2--1-20.2z -0.8z -10.442z 0.779z -10.2z )z (-1)z ()z ()z (=ΦΦ=G D 4-9设被控对象传递函数为s e s s G -++=)
1)(12(1s ）（，期望的闭环系统时间常数T0=0.1s ，取采样周期T=1s ，试用Dahlin 算法设计数字控制器。

判断有无振铃现象，若有计算振铃幅度，并消除振铃现象。

1T
==τN ()()()()()
1112s 0.606-10.368-1 1.4342.212e 1211s 1z ------+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡++-=z z z z s s e Z G Ts ）（
12s 4.5-13.5-e 10.11s 1z ----=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-=z
z s e Z Ts ）（φ[]()()()()
2-1-1--1-1 3.5z 4.5z -11.434z 2.2120.606z -10.368z -13.5-)z (-1)z ()z ()z (++=ΦΦ=G D 有z=-0.64的极点，接近z=-1，所以会产生振铃现象。

)
()z ()()z (z G z R U Φ=3
-2-1--2-1 6.4532z 2.0668z 10.732z -2.2120.223z 0.974z -1)()()z ()z (+++=Φ=z R z G U 由长除法得
1.83
)1(0.47)0(==U U ， 1.36
)0(-)1(==U U RA 按消除振铃因子法，令Z=1，得
[]()()1
-3.5z -4.5z 0.606z -10.368z -10.96)z (-1)z ()z ()z (2-1--1-1=ΦΦ=G D 4-10设被控对象传递函数为s e s G 8.11
23s -+=）（，取采样周期T=0.9s ，期望的闭环系统时间常数T0=0.5s ，试用Dahlin 算法设计数字控制器。

绘制系统的单位阶跃响应曲线。

判断有无振铃现象？若有，如何修改控制器。

2T
==τN 13s 8.10.637-111.36e 123s 1z ----=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-=z
z s e Z G Ts ）（13s 8.10.165-10.835e 10.51s 1z ----=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-=z
z s e Z Ts ）（φ[]()()()()
2-1-1--13-1--10.835z -0.835z 1z -10.637z -10.070.835z -0.165z -10.637z -10.07)z (-1)z ()z ()z (+==ΦΦ=G D
极点为： 1.62j
-0.8z ±=和极点：z=1.不产生振铃现象。

1
13z -110.165z -10.835z )z ()z ()z (---=Φ=R Y
0.97)4(0.835)3(0)2(0)1(0)0(=====Y Y Y Y Y ，，，，
5-1简要说明模糊控制系统的工作原理。

模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊推理为基础的智能控制方法。

它模拟人的思维推理过程，构造一种非线性控制，以满足复杂的、不确定的过程控制需要。

5-2模糊控制有哪些优点？什么情况下可以考虑采用模糊控制系统？
5-3分析量化因子e k、ec k和比例因子u k对系统性能的影响。

5-4模糊化的功能有哪些？
5-5反模糊化的方法有哪些？
1）最大隶属度法；2)最大平均法；3）面积均分法（中位数法）；4）重心法
5-6请查阅文献，给出你所了解的模糊控制技术的新发展。

近年来，模糊集理论及应用研究不断深入，取得了一系列成功的应用和理论成果，在自动控制、信号处理、模式识别通信等领域得到了广泛的应用。

目前，模糊控制已成为智能控制的一个主要分支（模糊控制与PID控制的结合、与神经网络控制的结合）。

6-1简述工业控制计算机的组成和特点。

工业控制计算机的组成：1）主板机；2）各类输入/输出接口模板；3）人-机接口；4）硬盘；5）工业电源；6）加固型工业机箱。

工业控制计算机的特点：1）具有较完善的过程通道；2）具有比较完善的中断系统和高速数据通道；3）具有高可靠性；4）具有人机联系功能；5）能够实现复杂的控制算法；6）具有适于控制用的软件系统。

6-2简述ARM处理器的特点及应用领域。

ARM处理器的特点：1）体积小、低功耗、低成本、高性能；2）支持Thumb（16位）/ARM （32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件；3）大量使用寄存器，指令执行速度更快；4）大多数数据操作都在寄存器中完成；5）寻址方式灵活方便，执行效率高；6)指令长度固定。

ARM处理器的应用领域：1）工业控制领域；2）无线通信领域；3）网络应用；4）消费类电子产品；5）成像和安全产品。

6-3什么是过程通道？过程通道分哪几类？
过程通道即在计算机和被控对象之间设置信息传递和转换的连接通道。

过程通道分为：模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字输入通道、数字输出通道四种。

6-4简述数字量输入通道的基本组成。

数字量输入通道的基本组成：内部或外部定时器/计数器、接口电路、信号调理电路、开关状态信号或脉冲信号。

6-5开关量输入信号调理的主要任务是什么？
将现场输入的状态信号采用转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接受的逻辑信号。

6-6模拟量输入通道有哪几种类型？各有何特点？
模拟电压输入：传输距离近，抗干扰能力差。

模拟电流输入：传输距离较远，抗干扰能力强。

6-7多路模拟量输入通道一般包括哪些环节？各环节有何作用？
信号调理：滤波、保护等，再将电信号变成0-10mA或4-20mA或1-5V。

多路切换器：根据控制逻辑选择将某路模拟信号送入采样保持器。

采样保持器：保持模拟信号的瞬时值不发生变化。

A/D转换器：将模拟信号转化为数字信号。

6-8对理想多路开关的要求是什么?
接通时的导通电阻足够小，而且其阻值随所使用的电源电压不同而变化。

6-9试说明采样保持器的工作原理及保持电容的大小对数据采集系统的影响。

采样保持器的工作原理：采样保持电路由输入缓冲放大器1A、逻辑开关S、保持电容H C 和输出缓冲放大器2A组成。

1A、2A是运算放大器，都接成了电压跟随器形式，使2A得输入阻抗很大，1A的输入阻抗很低。

C对采样保持精度影响很大，应选取漏电保持电容的大小对数据采集系统的影响：电容H
C的电容量
阻抗较大的电容，同时在保证采样速度的同时，可适当增加H
6-10在数据采样系统中，是不是所有的输入通道都需要加采样保持器？为什么？不是
只有在信号变化频率较高而A/D 转换速度又不高，以致孔径误差影响转换速度时，或者要求同时多路采样的情况下，才需要设置采样保持，对于一些变化缓慢的生产过程可以不设置保持电路。

6-11设被测温度变化范围为0C 。

~1200C 。

，如果要求误差不超过0.4C 。

，应选用分辨率为多少位的A/D 转换器？
C 4.02
C 0-C 1200n ︒<︒︒得n>13，可取16位A
D 转换器。

6-12试设计一个数据采集系统，要求可实现1~8路单端模拟量输入，输入电压范围0~10V ，分辨率为12位。

STC12C5A60S2，P1口自带12位AD 。

6-13模拟量输出通道有哪几种基本结构？各有何特点？
多个通路设置独立D/A 转换器的结构形式。

优点为转换速度快，精度高，工作可靠。

缺点为输出通路数量很多，将使用较多的D/A 转换器。

多个通路共享D/A 转换器的结构形式。

优点为节省转换器。

缺点为需要多路开关，只适用于通路数多且速度要求不高的场合，对保持器要求高，可靠性差。

6-14模拟量输出通道由哪几部分组成？各部分的作用是什么？
模拟量输出通道一般由接口电路、D/A 转换器、功率放大和V/I 变换等信号调理电路组成。

D/A 转换器：将数字信号转换成模拟信号。

V/I 变换：将电压信号转换成电流信号。

6-15某执行机构的输入变化范围为0~10mA,灵敏度为0.05mA ，试满足上述要求的D/A 转换器和V/I 变换器。

n 2
10mA -10mA 0.05mA 得n>=8，可选8位D/A 。

选择AD694集成U/I 芯片，接0-20mA 输出。

6-16简述开关量输出通道的基本结构。

数字量输出通道是由输出锁存器、光电隔离器、输出驱动器、地址译码器等组成。

输出锁存器用于锁存CPU 输出数据，光电隔离器保证计算机安全可靠的工作，将CPU 与驱动电路的之间的强电及干扰信号隔离。

输出驱动器是用来驱动继电器或执行器的功率放大器。

6-17简述气动执行器和电动执行器的组成及工作原理。

气动执行器的组成及工作原理：气动执行器的执行机构和调节机构是统一的整体，其执行机构有薄膜式、活塞式、拨叉式和齿轮齿条式。

当压缩空气从A 管咀进入气动执行器时，气体推动双活塞向两端(缸盖端)直线运动，活塞上的齿条带动旋转轴上的齿轮逆时针方向转动90度，阀门即被打开。

此时气动执行阀两端的气体随B 管咀排出。

反之，当压缩空气从B 官咀进入气动执行器的两端时，气体推动双塞向中间直线运动，活塞上的齿条带动旋转轴上的齿轮顺时针方向转动90度，阀门即被关闭。

此时气动执行器中间的气体随A 管咀排出电动执行器的组成及工作原理：伺服放大器DFC 、电动操作器DFD 、位置发送器WF 、伺服电动机SM 、减速器J 等组成；其工作过程是:来自控制器的输出信号送到伺服放大器，与位置发送器的反馈信号相比较，其差值（正或负）经放大后控制伺服电动机正转或反转，经过减速器后使输出轴产生直线位移或角位移。

输出轴的位移又经位置发送器转换成4~20mA 信号，作为位置指示和反馈信号。

若反馈信号和输入信号相等时，电动机停止转动。

此时，轴输出就稳定在与输入信号成比例的位置上。

电动机也可以通过电动操作器进行手动调整。

6-18常见的步进电动机的驱动电路有几种？各有什么特点？
三种：1）单电压功率放大电路：结构简单；2)双电压功率放大电路：功耗较低，效率较高，高频工作时有较大的转动力矩；3）斩波型功率放大电路：高频性能好，电动机运行平稳，低频震荡得到有效抑制
6-19光电耦合器使用时应注意什么？
输入与输出不公用一个电源。